Venter på neutrinoer

Den 24. februar kl. 1987, lys fra en supernova, der eksploderede 168, 000 år siden i den store magellanske sky, en nabo til Mælkevejen, nået Jorden. Astronomerne Ian Shelton og Oscar Duhalde ved Las Campanas-observatoriet i Chile rapporterede først om supernovaen, kaldet SN 1987A (eller blot 87A), som var en af ​​de lyseste i næsten fire århundreder.

En supernova som 87A opstår, når en stjerne, der er mange gange større end vores sol, løber tør for brændstof i sin kerne. På dette tidspunkt, kernen er lavet af jern, og dens skæbne afhænger af kampen mellem to kræfter:Tyngdekraften forsøger at kollapse den, mens elektroner effektivt frastøder hinanden, takket være Pauli udelukkelsesprincippet, en kvantemekanisk effekt. For en stund, ligevægt opretholdes, men massen af ​​jernkernen bliver ved med at stige, på grund af atomforbrænding i skallen over den. Til sidst, kernemassen når en kritisk værdi kaldet Chandrasekhar grænsen, og tyngdekraftens ubarmhjertige træk vinder. Kernen falder sammen på sig selv i næsten frit fald, og der dannes en chokbølge omkring den. Opvarmet af energien ved at flygte fra neutrinoer, chokbølgen skubber stjernens ydre lag ud i en katastrofal eksplosion, der kortvarigt kan skinne mere klart end hele galakser. Efter at have mistet sin energi til neutrino-emission, kernen sætter sig endelig i det, der er kendt som en neutronstjerne, effektivt en kæmpe kerne, der primært består af neutroner.

Da Duhalde og Shelton så lys fra 87A, tre neutrinodetektorer rundt om i verden havde allerede hentet beviser for supernovaen. Det meste af den energi, der frigives i en supernova, udsendes som neutrinoer, næsten masseløse subatomære partikler, der sjældent reagerer med almindeligt stof. Fordi de interagerer så svagt, neutrinoer kan glide ud af konvolutten på en kollapsende supernova timer før lyspartikler, som rider på eksplosionens chokbølge, skubbes ud.

Neutrinoer produceret af 87A ankom til Jorden lige før lyset fra eksplosionen gjorde det. Irvine-Michigan-Brookhaven (IMB), et neutrino -observatorium i Ohio på bredden af ​​Lake Erie, opdagede otte neutrinohændelser. Baksan Neutrino Observatory i Rusland opdagede yderligere fem, og Kamiokande II, en neutrino -detektor dybt under jorden i en japansk mine, så 11. Det var første gang, neutrinoer fra en supernova var blevet opdaget - selvom neutrino -forskerne ikke indså det, før Duhalde og Shelton meddelte deres observation. De fandt neutrino -begivenhederne kun i deres data, da de ledte efter dem, da de hørte nyhederne om supernovaen.

Noget utroligt, der venter på at blive kendt?

Mere end 30 år senere, forskere bygger det internationale Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), vært hos Fermilab. Den er 70, 000-ton væskeargondetektor vil være placeret næsten en kilometer under jorden ved Sanford Underground Research Facility i South Dakota, venter på endnu et udbrud af supernova neutrinoer at ankomme. Opdagelsen ville varsle en ny eksploderende stjerne et sted i Mælkevejen.

Kate Scholberg, en partikelfysiker ved Duke University, siger, at supernova-neutrinoer kunne lære os meget om supernovaer og partikelfysik, hvis vi opdager dem næste gang en begivenhed som 87A indtræffer. Det er fordi neutrinoerne bærer oplysninger om supernovaen med sig, når de rejser over rummet. Signalerne, neutrinoerne afgiver i partikeldetektorer som DUNE, ville give fysikere mulighed for at drage konklusioner om de betingelser, hvor neutrinoerne blev fremstillet, og levere beviser for den eksploderende stjernes skæbne.

"Du kan faktisk se de processer, der sker i realtid, da neutronstjernen bliver født, "sagde Scholberg, der studerer neutrinoer som en del af DUNE.

Disse processer kunne pege på ny fysik. For eksempel, hvis eksotiske partikler produceres i en supernova, spor af deres eksistens ville være tydelige i signalet fra neutrinoerne. Det er fordi fysikere kan beregne den samlede energi produceret af en supernova, og de kan estimere, hvor meget der blev udsendt som neutrinoer fra målingen. Hvis den samlede detekterede energi ikke stemmer overens med den samlede forventede, det kunne antyde, at der produceres nye partikler.

"Opdagelsen af ​​en supernova i 1987 fra Kamiokande var, til mig, en af ​​de mest imponerende detektioner for partikelfysik, " sagde Inés Gil Botella, en videnskabsmand ved Spaniens Center for Energi, Miljø og teknologi, eller CIEMAT, og en af ​​lederne på DUNE's supernova -søgning. "Det åbnede en måde at forstå universet på gennem andre partikler end fotoner. Denne nye multimessenger -æra med astrofysik startede virkelig med påvisning af supernova -neutrinoer."

Dimensionen KLIT

Mens detektorer kun fangede 24 af neutrinoerne udsendt fra 87A, hundredvis af peer-reviewed artikler blev offentliggjort som følge af opdagelsen og efterfølgende forskning. Når DUNE er afsluttet, den kunne se langt flere neutrinoer og bidrage til en lignende - og helt ny - forskningsstrøm.

"DUNE har adskillige muligheder, der er helt unikke blandt alle store neutrino-detektorer, når det kommer til studier af supernova-neutrinoer, "sagde Steven Gardiner, en Fermilab -forsker, der arbejder på at simulere, hvad der sker, når en supernova -neutrino kommer ind i en detektor.

DUNE adskiller sig fra Cherenkov-detektorer som Kamiokande på flere måder, herunder, at det bruger flydende argon i stedet for vand som målmediet. Væske-argondetektorer opdager neutrinoer, når de kolliderer med argonkerner. Argons kerne er sammensat af protoner og neutroner, der er arrangeret i forskellige energitilstande. Når en neutrino kolliderer med en argonkerne, en proton eller neutron i en lavere energitilstand kan hæves til en højere energitilstand og føre til emission af partikler fra argonkernen via dens de-excitation. Nogle af disse partikler kan observeres af detektoren.

"Når kernen ophidser, der kan ske et par forskellige ting, "Sagde Gardiner." Kernen kan udsende gammastråler, neutroner, protoner eller tungere atomfragmenter. Du kan potentielt se gammastråler i flydende argon, fordi de vil sprede elektroner i argonen, og du vil se små blips, der kommer fra dem. "

Cherenkov detektorer, som primært leder efter elektron-antineutrinoer, der slår nøgne protoner, kan ikke rekonstruere gammastråler med så mange detaljer som flydende argondetektorer kan.

På grund af den komplicerede natur af energigenopbygningen, Det er en ganske udfordring at rekonstruere supernova neutrino-begivenheder i en væskeargondetektor. Gardiner bygger i øjeblikket computersimuleringer, der kan modellere de forskellige signaturer, der kan opstå, når en neutrino interagerer med den flydende argon i DUNE.

"Vanskeligheden er, fordi du har så mange argon -ophidsede tilstande til rådighed, du har alle mulige forskellige signaturer, der kan produceres i din detektor, "sagde han." Og du er nødt til at håndtere det kompleksitetsniveau for fuldt ud at rekonstruere energien fra et neutrino -kollision. "

Så er der udfordringen med at pirre signalet fra støjen. Supernova neutrinoer bærer langt mindre energi end, sige, neutrinoer produceret af en partikelaccelerator, så de signaler, de producerer i argonen, er svagere. At opdage disse lavenergi-interaktioner kræver både en følsom detektor og viden om interaktionens forskellige signaturer.

"Højenergineutrinoer er nemmere at opdage, og deres interaktioner er velkendte. Vi ved, hvordan de opfører sig, "Sagde Gil Botella." Men ved disse lave, supernova-neutrino energier, interaktionerne med argon er ikke særlig velkendte. Vi har ikke mange eksperimentelle data til at sige, hvad der sker, når en lavenergineutrino interagerer med argon."

Og forskere ved verdens andre neutrino -projekter ønsker at ændre det, planlægge eksperimenter, der ville tegne et klarere billede af lavenergi neutrinoer.

"At studere neutrinoer er en vanskelig forretning, og vi har mere arbejde at gøre, men DUNEs teknologiske evner gør disse udfordringer langt mere håndterbare, " sagde Gardiner. "Fysikudbyttet vil være enormt. Hvis vi skal løse disse spørgsmål, DUNE er en god måde at gøre det på. "

Oscillationsstation

DUNE kunne også hjælpe med at informere vores forståelse af neutrinooscillation på en måde, som andre detektorer ikke kan. I Cherenkov -detektorer, signalet produceres hovedsageligt af elektronantineutrinoer, der interagerer med vandmolekyler. Omvendt flydende argon prøver også elektronneutrinoer fra supernovaens ejecta.

"Vi har brug for både elektronneutrinoer og antineutrinoer til at adskille svingningsscenarier, " sagde Alex Friedland, en partikelfysiker og seniorforsker ved SLAC National Accelerator Laboratory i Californien. KLIT, fordi det vil være den eneste detektor, der kan se elektronneutrinoer, tilføjer en manglende brik til det puslespil.

Neutrinoer svinger mellem tre varianter (elektron, muon eller tau), når de bevæger sig gennem rummet. Fysikere har undersøgt neutrino -svingninger i neutrinoer produceret i solen, i jordens atmosfære, fra atomreaktorer og i højenergipartikelstråler skabt af partikelacceleratorer. Men de har ikke været i stand til at studere dem i supernovaer, hvor antallet af producerede neutrinoer simpelthen er uden for diagrammerne i forhold til andre kilder.

"Dette er den ultimative intensitetsgrænse, " sagde Friedland. "Naturen gør det for os, så det skal vi bare udnytte. Supernovaen er et laboratorium på den anden side af galaksen. Det udfører eksperimenter, og vi skal 'bare' bygge detektoren og lave en måling. Selvfølgelig, det er nyttigt at huske på, at denne måling 'bare' tilfældigvis er en af ​​de mest udfordrende opgaver, som DUNE, den mest avancerede neutrino detektor nogensinde bygget, vil påtage sig."

Neutrino -oscillation beskriver typisk en enkelt partikel, der ændrer smag, men under de rigtige omstændigheder - som i en kollapsende supernova - kan mange neutrinoer oscillere samlet.

"Kollektiv svingning betyder, at du har neutrinoer, der går gennem baggrunden for andre neutrinoer, og en smagstilstand for en given neutrino ved om, hvad alle de andre neutrinoer, den passerer, gør med hensyn til smag, "Sagde Friedland.

Med nok neutrinosignaler - som en detektor som den gigantiske DUNE kunne samle - kan fysikere rekonstruere energispektret for elektronneutrinoerne, der ankommer til Jorden. Dette spektrum kan have markante træk præget af det ved kollektive svingninger af neutrinoer inde i supernovaen. Med disse oplysninger, de kan se, hvordan neutrinoerne udviklede sig kollektivt i den døende stjerne.

Oplysningerne kan give dem spor om, hvad der skete med selve stjernen, såvel. Neutrinotætheden er så høj i en kernekollaps-supernova som 87A, at det påvirker, hvordan stjernen eksploderer. Eksplosionens chokbølge drives frem af det, fysikere kalder den neutrino-drevne vind.

Andre kernekollapsbegivenheder producerer måske ikke en supernova, som vi let kan se fra Jorden, men vi ved, at de opstod, da neutrinodetektorerne registrerer et burst.

"Når en stjerne kollapser i et sort hul, du får sandsynligvis ikke fyrværkeri, "Forklarede Scholberg." Observatørerne ser muligvis ingenting, eller bare se en stjerne blinke ud. Den slags begivenheder ville blive set klart i neutrinoer. "

Når DUNE -detektorerne er på plads, de vil blive brugt til at tage målinger af neutrinoer, der kommer fra Fermilab-acceleratorer og vente tålmodigt på, at en supernova eksploderer. Dette sker i vores galakse i gennemsnit en gang hvert 30. til 50 år.

"Det er ulempen ved supernova -neutrinoverdenen; vi venter altid, "Sagde Scholberg." Du må hellere ikke gå glip af noget. "

Når det sker, en kerne-kollaps supernova vil være en stor begivenhed, der vil påvirke flere forskningsfelter, herunder partikelfysik og astrofysik.

"Det er så imponerende:Supernovaer producerer et stort antal neutrinoer, de rejser så langt, og du får et signal direkte fra noget, der er kiloparsek væk "Sagde Gil Botella." Det er virkelig fantastisk at få adgang til oplysninger inde i en sådan stjerne. Det er forbindelsen med objekterne i universet - universets ukendte."

Medlemmer af offentligheden kan tilmelde sig for at modtage advarsler fra SuperNova Early Warning System (SNEWS). Det automatiserede system inkluderer i øjeblikket syv neutrinoeksperimenter i Canada, Kina, Italien, Japan og på Sydpolen. Når neutrinoer produceret i en supernova når Jorden, SNEWS vil udsende e-mail-alarmer for at annoncere deres ankomst, hvilket ville fange forskningsmiljøet.

"Når supernovaen sker, du kan glemme alt det andet, vi tænkte på, "Sagde Friedland." Videnskabens verden vil tale om det i mindst et år eller mere. "